課程設(shè)計(jì)四路搶答器

1、目錄 1 設(shè)計(jì)要求32 設(shè)計(jì)目的作任務(wù)33 系統(tǒng)框圖34 主要器件介紹54.1 開(kāi)關(guān)陣列 55 搶答器個(gè)模塊工作原理簡(jiǎn)述65.1 開(kāi)關(guān)陣列電路 65.2 觸發(fā)鎖存電路 65.3 數(shù)碼顯示電路 95.4 報(bào)警電路126 搶答器電路的制作與調(diào)試 136.1 原理圖制作146.2 印刷版電路157 電路仿真與分析178 元件清單一覽189 心得體會(huì)1910 參考文獻(xiàn) 20 一、設(shè)計(jì)要求1.本項(xiàng)目是一款采用D觸發(fā)器數(shù)字集成電路制成的數(shù)字顯示四路搶答器，它利用數(shù)字集成電路的鎖存特性，實(shí)現(xiàn)優(yōu)先搶答和數(shù)字顯示功能，要求如下：（1）設(shè)計(jì)一個(gè)可供4名選手參加比賽的4路數(shù)字顯示搶答器。他們的編號(hào)分別為“1”、“2

2、”、“3”、“4”各用一個(gè)搶答按鈕，編號(hào)與參賽者的號(hào)碼一一對(duì)應(yīng)。（2）搶答器具有數(shù)據(jù)鎖存功能，并將鎖存的數(shù)據(jù)用LED數(shù)碼管顯示出搶答成功者的號(hào)碼。（3）搶答器對(duì)搶答選手動(dòng)作的先后有很強(qiáng)的分辨能力，即使他們的動(dòng)作僅相差幾毫秒，也能分辨出搶答者的先后來(lái)。即不顯示后動(dòng)作的選手編號(hào)。 =（4）主持人具有手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)，可以手動(dòng)清零復(fù)位，為下一輪搶答做準(zhǔn)備。2、.本項(xiàng)目主要包括開(kāi)關(guān)陣列電路，數(shù)碼顯示器、4D觸發(fā)器.蜂鳴器報(bào)警電路等常用集成組合邏輯器件的工作原理、邏輯功能測(cè)試方法及其應(yīng)用。二、設(shè)計(jì)目的和工作任務(wù)1.學(xué)習(xí)目標(biāo)1.會(huì)描述常用中規(guī)模集成電路的邏輯功能。2.能正確使用優(yōu)先編碼器，會(huì)描述優(yōu)先編碼器的工

3、作原理和邏輯功能。3.能正確使用顯示譯碼器，會(huì)描述顯示譯碼器的工作原理和邏輯功能。4.能正確使用鎖存器，會(huì)敘述鎖存器的工作原理。5.會(huì)用中規(guī)模集成電路完成搶答器電路功能的制作與調(diào)試。2.工作任務(wù)1正確連接譯碼顯示電路。2測(cè)試D觸發(fā)器邏輯功能。3四人搶答器的制作與調(diào)試。三、搶答器的組成框圖搶答器的一般組成框圖如圖3-1所示。它主要由開(kāi)關(guān)陣列電路、觸發(fā)鎖存電路、LED數(shù)碼顯示電路和蜂鳴器報(bào)警電路等幾部分組成。下面逐一給予介紹。開(kāi)關(guān)陣列電路觸發(fā)鎖存電路數(shù)碼顯示電路蜂鳴器報(bào)警電路圖3-1四、主要器件介紹1. 開(kāi)關(guān)陣列該電路由四個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)所組成，每一競(jìng)賽者與一組開(kāi)關(guān)相對(duì)應(yīng)。當(dāng)開(kāi)關(guān)接上端觸點(diǎn)時(shí)，輸出相

4、應(yīng)Q輸出端為高電平，反之輸出低電平。2. 四D觸發(fā)器觸發(fā)鎖存電路由四D觸發(fā)器74LS175構(gòu)成，當(dāng)某一開(kāi)關(guān)首先按下時(shí)，觸發(fā)鎖存電路被觸發(fā)，在輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)電平信息，同時(shí)為防止其它開(kāi)關(guān)隨后觸發(fā)而產(chǎn)生紊亂，最先產(chǎn)生的輸出電平變化又反過(guò)來(lái)將觸發(fā)電路鎖定。3.數(shù)碼顯示管本設(shè)計(jì)采用的為L(zhǎng)ED數(shù)碼管，其功能是對(duì)最先按下開(kāi)關(guān)的搶答者編號(hào)給予顯示。4.蜂鳴器蜂鳴器報(bào)警器主要是對(duì)搶答起始和終止給予提醒，有人開(kāi)始搶答蜂鳴器處于工作狀態(tài)。五、搶答器各個(gè)模塊工作原理簡(jiǎn)述(1) 開(kāi)關(guān)陣列電路圖5-1為四路開(kāi)關(guān)陣列電路，從圖上可以看出其結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。當(dāng)任一開(kāi)關(guān)按下時(shí)，相應(yīng)的輸出為低平，否則為高電平。圖5-1(2)

5、觸發(fā)鎖存電路下圖5-2所示為74LSl75外引線排列圖和邏輯電路圖。其中，是異步清零控制端。D0D3是并行數(shù)據(jù)輸入端，CP為時(shí)鐘脈沖端，Q0Q3是并行數(shù)據(jù)輸出端，是Q0Q3的反碼數(shù)據(jù)輸出端。圖 5-3所示電路的數(shù)碼接收過(guò)程為：將需要存儲(chǔ)的四位二進(jìn)制數(shù)碼送到數(shù)據(jù)輸入端D0D3，在CP端送一個(gè)時(shí)鐘脈沖，脈沖上升沿作用后，四位數(shù)碼并行地出現(xiàn)在四個(gè)觸發(fā)器Q端。圖 5-2圖 5-3圖5-4示是4位集成寄存器74LSl75圖5-4下表5.1所示是D觸發(fā)器功能表：74LS175的功能表清零時(shí)鐘輸入輸出工作模式CP1D2D3D4D1Q2Q3Q4Q0×××××0

6、000異步清零11D2D3D4D1D2D3D4D數(shù)碼寄存11××××保持?jǐn)?shù)據(jù)保持10××××保持?jǐn)?shù)據(jù)保持表5.1特性方程：當(dāng)D=0時(shí)Qn+1=0，當(dāng)D=1時(shí)Qn+1=1，由此得D觸發(fā)器特性方程為Qn+1=D.圖5-5所示即為4路觸發(fā)鎖存電路。圖中74LS175為4D鎖存器，一開(kāi)始，當(dāng)所有開(kāi)關(guān)均未按下時(shí)，鎖存器輸出全為高電平，經(jīng)4輸入與非門(mén)和非門(mén)后的反饋信號(hào)仍為高電平，該信號(hào)作為鎖存器使能端控制信號(hào)，使鎖存器處于等待接收觸發(fā)輸入狀態(tài)；當(dāng)任一開(kāi)關(guān)按下時(shí)，輸出信號(hào)中必有一路為低電平，則反饋信號(hào)變?yōu)榈碗娖剑i存器剛剛接收到

7、的開(kāi)關(guān)被鎖存，這時(shí)其它開(kāi)關(guān)信息的輸入將被封鎖。由此可見(jiàn)，觸發(fā)鎖存電路具有時(shí)序電路的特征，是實(shí)現(xiàn)搶答器功能的關(guān)鍵。說(shuō)明：CLK代表時(shí)鐘脈沖輸入端CP POL代表功能輸入端M。圖5-5 (3)搶答顯示電路設(shè)計(jì)中采用的是LED數(shù)碼管。下5-6圖是半導(dǎo)體數(shù)碼管的外形圖，圖5-7為其等效電路。半導(dǎo)體數(shù)碼管有共陽(yáng)極型和共陰極兩種類(lèi)型。共陽(yáng)極型中各發(fā)光二極管陽(yáng)極連接在一起，接高電平，ag和DP各引腳中任一腳為低電平時(shí)相應(yīng)的發(fā)光段發(fā)光；共陰極型號(hào)中各發(fā)光二極管的陰極連接在一起，接低電平，ag和DP各引腳中任一腳為高電平時(shí)相應(yīng)的發(fā)光段發(fā)光（DP為小數(shù)點(diǎn)）。一個(gè)LED數(shù)碼管可用來(lái)顯示一位09十進(jìn)制數(shù)和一個(gè)小數(shù)點(diǎn)。

8、小型數(shù)碼管（0.5寸和0.36寸）每段發(fā)光二極管的正向壓降，隨顯示光（通常為紅、綠、黃、橙色）的顏色不同略有差別，通常約為22.5V，每個(gè)發(fā)光二極管的點(diǎn)亮電流在510mA。下圖5-6所示為半導(dǎo)體數(shù)碼管外觀圖圖5-6半導(dǎo)體數(shù)碼管等效電路圖5-7下表5.2列出了ag發(fā)光段的十種發(fā)光組合情況，他們分別和十進(jìn)制的十個(gè)數(shù)字相對(duì)應(yīng)。表中H表示發(fā)光的線段，L表示不發(fā)光的線段。七段顯示組合與數(shù)字對(duì)照表發(fā)光段數(shù)字abcdefg0HHHHHHL1LHHLLLL2HHLHHLH3HHHHLLH4LHHLLHH5HLHHLHH6HLHHHHH7HHHLLLL8HHHHHHH9HHHHLHH表5.2半導(dǎo)體數(shù)碼管的優(yōu)點(diǎn)是

9、工作電壓較低（1.53V）、體積小、壽命長(zhǎng)、工作可靠性高、響應(yīng)速度快、亮度高，字形清晰。半導(dǎo)體數(shù)碼管適合于與集成電路直接配用，在微型計(jì)算機(jī)、數(shù)字化儀表和數(shù)字鐘等電路中應(yīng)用十分廣泛。半導(dǎo)體數(shù)碼管的主要缺點(diǎn)是工作電流大，每個(gè)字段的工作電流約為10mA左右。下圖5-8所示是設(shè)計(jì)中用到的數(shù)碼顯示電路：圖5-8（4）報(bào)警電路設(shè)計(jì)中用到的報(bào)警電路如下圖5-9所示，其輸入端接四輸入與非門(mén)74LS20的輸出端，與非門(mén)與觸發(fā)鎖存電路的四個(gè)反向輸出端相連，只要有人按下開(kāi)關(guān)，與非門(mén)輸出高電平驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路工作。圖5-9六、搶答器電路的制作與調(diào)試1、原理圖制作下圖所示為四人搶答器電路原理圖，以下內(nèi)容是搶答器的制作與調(diào)試

10、說(shuō)明。電路組成及其元器件的選擇說(shuō)明。(1) 開(kāi)關(guān)陣列電路：本設(shè)計(jì)搶答者一律采用單刀雙擲開(kāi)關(guān)，主持人用單刀單擲開(kāi)關(guān)，由于觸發(fā)鎖存電路采用TTL集成電路組成，故主持人上拉電阻R可取1K歐。 (2) 觸發(fā)鎖存電路：選擇74LS175四D鎖存器。(3)顯示單元電路：選擇數(shù)碼管作為顯示單元電路。（4）報(bào)警電路用蜂鳴器。 應(yīng)用Protel 99SE設(shè)計(jì)原理電路圖過(guò)程如下1準(zhǔn)備電路原理圖和網(wǎng)絡(luò)表：根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)電路原理圖，并繪制原理圖，然后由該原理圖文件生成相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)表。對(duì)于相當(dāng)簡(jiǎn)單的電路圖，也可以直接進(jìn)行印制電路板設(shè)計(jì)。2規(guī)劃印制電路板：在設(shè)計(jì)電路板之前，要對(duì)電路板有個(gè)初步的規(guī)劃，主要包括電路板的選擇，

11、采用幾層電路板、板材的物理尺寸、各元件的封裝形式等，這是一項(xiàng)相當(dāng)重要的工作，是電路板設(shè)計(jì)的框架。3設(shè)置參數(shù)：設(shè)置參數(shù)包括設(shè)置元件的布置參數(shù)、板層參數(shù)和布線參數(shù)等。大多數(shù)情況下，可以直接使用系統(tǒng)的默認(rèn)值，參數(shù)設(shè)置是一次性完成的，在后續(xù)的設(shè)計(jì)工作中很少需要修改。4加載網(wǎng)絡(luò)表和元件封裝：網(wǎng)絡(luò)表是自動(dòng)布線的基礎(chǔ)，是連接原理圖和印制電路板的紐帶。只有加載了網(wǎng)絡(luò)表和元件封裝后，電路板的自動(dòng)布線才能完成。5元件布局：規(guī)劃電路板并導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表后，通過(guò)執(zhí)行命令，系統(tǒng)將自動(dòng)裝入元件并將元件布置在電路板邊框內(nèi)。元件布局可以由系統(tǒng)自動(dòng)完成，然后進(jìn)行手工調(diào)整布局，布局合理后才能進(jìn)行下一步的布線工作。元件布局是印制電路板設(shè)

12、計(jì)中比較花費(fèi)精力的一個(gè)步驟，需要設(shè)計(jì)者有足夠的耐心。6自動(dòng)布線：Protel DXP 2004中自動(dòng)布線的功能相當(dāng)強(qiáng)大，只要把有關(guān)參數(shù)設(shè)置得適當(dāng)，元件布局合理，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)設(shè)置的規(guī)則選擇最佳的布線策略進(jìn)行自動(dòng)布線，成功率幾乎100%。7手工調(diào)整：自動(dòng)布線雖然成功率很高，但往往存在不滿意的地方，這時(shí)就需要進(jìn)行手工調(diào)整，以滿足設(shè)計(jì)要求。8DRC檢查：布線完成后，為了確保PCB板符合設(shè)計(jì)規(guī)則、所有的網(wǎng)絡(luò)連接正確，必須對(duì)電路板進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）。9保存及打印輸出：完成布線后，可以將完成的印制電路板文件保存到磁盤(pán)，利用輸出設(shè)備如打印機(jī)等，輸出電路板的布線圖。下圖6-1所示是四人搶答器原理圖圖6-

13、12、用Protel 99SE設(shè)計(jì)印刷電路下面是印制板圖過(guò)程(1)啟動(dòng)印刷電路板設(shè)計(jì)服務(wù)器執(zhí)行菜單File/New命令，從框中選擇PCB設(shè)計(jì)服務(wù)器（PCB Document）圖標(biāo)，雙擊該圖標(biāo)，建立PCB設(shè)計(jì)文檔。雙擊文檔圖標(biāo)，進(jìn)入PCB設(shè)計(jì)服務(wù)器界面。(2)規(guī)劃電路板根據(jù)要設(shè)計(jì)的電路確定電路板的尺寸。選取Keep Out Layer復(fù)選框，執(zhí)行菜單命令Place/Keepout/Track，繪制電路板的邊框。執(zhí)行菜單Design/Options，在“Signal Lager”中選擇Bottom Lager，把電路板定義為單面板。(3)設(shè)置參數(shù)參數(shù)設(shè)置是電路板設(shè)計(jì)的非常重要的步驟，執(zhí)行菜單命令D

14、esign/Rules，左鍵單擊Routing按鈕，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在規(guī)則類(lèi)（Rules Classes）中設(shè)置參數(shù)。選擇Routing Layer，對(duì)布線工作層進(jìn)行設(shè)置：左鍵單擊Properties，在“布線工作層面設(shè)置”對(duì)話框的“Pule Attributes”選項(xiàng)中設(shè)置Tod Layer為“Not Used”、設(shè)置 Bottom Layer為“Any”。選擇Width Constraint，對(duì)地線線寬、電源線寬進(jìn)行設(shè)置。(4)裝入元件封裝庫(kù)執(zhí)行菜單命令Design/Add/Remove Library，在“添加/刪除元件庫(kù)” 對(duì)話框中選取所有元件所對(duì)應(yīng)的元件封裝庫(kù)，例如：PCB Footp

15、rint，Transistor，General IC，International Rectifiers等。(5)裝入網(wǎng)絡(luò)表執(zhí)行菜單Design/Load Nets命令，然后在彈出的窗口中單擊Browse按鈕，再在彈出的窗口中選擇電路原理圖設(shè)計(jì)生成的網(wǎng)絡(luò)表文件（擴(kuò)展名為Net），如果沒(méi)有錯(cuò)誤，單擊Execute。若出現(xiàn)錯(cuò)誤提示，必須更改錯(cuò)誤。(6)元器件布局Protel 99SE既可以進(jìn)行自動(dòng)布局也可以進(jìn)行手工布局，執(zhí)行菜單命令Tools/Auto Placement/Auto Placer可以自動(dòng)布局。布局是布線關(guān)鍵性的一步，為了使布局更加合理，多數(shù)設(shè)計(jì)者都采用手工布局方式。(7)自動(dòng)布線Pr

16、otel 99SE采用世界最先進(jìn)的無(wú)網(wǎng)格、基于形狀的對(duì)角線自動(dòng)布線技術(shù)。執(zhí)行菜單命令A(yù)uto Routing/All，并在彈出的窗口中單擊Route all按鈕，程序即對(duì)印刷電路板進(jìn)行自動(dòng)布線。只要設(shè)置有關(guān)參數(shù)，元件布局合理，自動(dòng)布線的成功率幾乎是100%。下圖6-2所示是印制板圖圖6-2七、電路仿真與分析對(duì)電路Multism進(jìn)行仿真調(diào)試，目的是為了觀察和測(cè)量電路的性能指標(biāo)，并調(diào)整部分元器件參數(shù)，從而達(dá)到各項(xiàng)指標(biāo)的要求。在面包板或印制板）上組裝并調(diào)試四人搶答器電路下圖7-1所示是用Multism進(jìn)行仿真調(diào)試的電路圖，當(dāng)J3接高電平時(shí)，電路工作狀況,此時(shí)LED數(shù)碼管顯示數(shù)字三，且蜂鳴器開(kāi)始工作。

17、圖7-1八、元件清單四路搶答器電路元件清單如表8.1所示：序號(hào)品名型號(hào)/規(guī)格數(shù)量配件圖號(hào)實(shí)測(cè)情況1數(shù)字集成電路74LS1751U12數(shù)字集成電路CC40118U3U113數(shù)字集成電路74LS201U24數(shù)碼顯示器BS2051U55開(kāi)關(guān)5J1J56碳膜電阻1K1R17碳膜電阻1001R28蜂鳴器SONALERT1U129信號(hào)源OBEG1V1九、設(shè)計(jì)心得和體會(huì)1、通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我們動(dòng)手、思考和解決問(wèn)題的能力。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們通過(guò)這個(gè)方案包括設(shè)計(jì)了一套電路原理和PCB連接圖，和芯片上的選擇。2、在設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到這樣那樣的情況，就是心里想老著這樣的接法可以行得通，但實(shí)際接上電路

18、，總是實(shí)現(xiàn)不了，因此耗費(fèi)在這上面的時(shí)間用去很多。3、我知道做課程設(shè)計(jì)同時(shí)也更是對(duì)課本知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識(shí)太多，平時(shí)課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個(gè)元件的功能，而且考試內(nèi)容有限，所以在這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們了解了很多元件的功能，并且對(duì)于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識(shí)。平時(shí)看課本時(shí)，有時(shí)問(wèn)題老是弄不懂，做完課程設(shè)計(jì)，那些問(wèn)題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。比如一些芯片的功能，平時(shí)看課本，這次看了，下次就忘了，通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐讓我們對(duì)各個(gè)元件映象深刻。認(rèn)識(shí)來(lái)源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識(shí)的動(dòng)力和最終目的，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。所以這個(gè)期末測(cè)試之后的課程設(shè)計(jì)對(duì)我們的作用是非常大的。4、

19、經(jīng)過(guò)兩個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)，過(guò)程曲折可謂一語(yǔ)難盡。在此期間我們也失落過(guò)，也曾一度熱情高漲。從開(kāi)始時(shí)滿富盛激情到最后汗水背后的復(fù)雜心情，點(diǎn)點(diǎn)滴滴無(wú)不令我回味無(wú)窮。生活就是這樣，汗水預(yù)示著結(jié)果也見(jiàn)證著收獲。勞動(dòng)是人類(lèi)生存生活永恒不變的話題。通過(guò)實(shí)踐，我才真正領(lǐng)略到“艱苦奮斗”這一詞的真正含義，我才意識(shí)到老一輩電子設(shè)計(jì)為我們的社會(huì)付出。我想說(shuō)，設(shè)計(jì)確實(shí)有些辛苦，但苦中也有樂(lè)，在如今單一的理論學(xué)習(xí)中，很少有機(jī)會(huì)能有實(shí)踐的機(jī)會(huì)，但我們可以，而且設(shè)計(jì)也是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的任務(wù)，一起的工作可以讓我們有說(shuō)有笑，相互幫助，配合默契，多少人間歡樂(lè)在這里灑下，大學(xué)里一年的相處還趕不上這十來(lái)天的合作，我感覺(jué)我和同學(xué)們之間的距離更加近了；我想說(shuō)，確實(shí)很累，但當(dāng)我們看到自己所做的成果時(shí)，心中也不免產(chǎn)生興奮； 正所謂“三百六十行，行行出狀元”。我們同樣可以為社會(huì)作出我們應(yīng)該做的一切，這有什么不好？我們不斷的反問(wèn)自己。也許有人不喜歡這類(lèi)的工作，也許有人認(rèn)為設(shè)計(jì)的工作有些枯燥，但我們認(rèn)為無(wú)論干什么，只要人生活的有意義就可。社會(huì)需要我們，我們也可以為社會(huì)而工作。既然如此，那還有什么必要失落呢？于是我們決定沿著自己的路，執(zhí)著的走下去。 5 同時(shí)我認(rèn)為我們的任務(wù)是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的工作，團(tuán)隊(duì)需要個(gè)人，個(gè)人也離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)，必須發(fā)揚(yáng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。某個(gè)人的離群都可能導(dǎo)致導(dǎo)致整項(xiàng)工作的失敗。設(shè)計(jì)中只